DE102008038964B4 - Bewegbare Geräteeinheit zum Erzeugen einer Durchörterung in Böden und Auffüllungen - Google Patents

Abstract

Bewegbare Geräteeinheit zum Erzeugen einer Durchörterung in Böden und Auffüllungen durch Verdrängen, umfassend eine Expansionseinheit (2) aus mindestens einem ersten und einem zweiten Expansionskörper (2a, 2b) mit Pressflächen (4) und einem zwischen den Expansionskörpern angeordneten Expansionskörpergelenk (3) und Mitteln für eine Relativbewegung der Expansionskörper mit einer Medienversorgungsleitung (1), wobei die Pressflächen (4) mit einer Innenwandung (5) der Durchörterung (6) durch ein alternierendes Aktivieren des jeweiligen Expansionskörpers (2a; 2b) in einen Kontakt bringbar sind und durch ein Heranziehen und Abstoßen des jeweils nicht in einem Press- oder Klemmsitz befindlichen Expansionskörpers eine Eigenbewegung in Richtung einer Durchörterungsstrecke erzeugbar ist, wobei im vorderen Bereich der Geräteeinheit ein Gerätekopfmodul (7) mit einer Gerätekopf-Gelenkverbindung (8a) zur Expansionseinheit (2) und Mitteln für eine Relativbewegung zwischen dem Gerätekopfmodul (7) und der Expansionseinheit (2) zum Erzeugen von Press- und Druckkräften an einer Gerätekopffront angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Expansionskörper (2a, 2b) Pressflächen (4) in Form mehrerer, um ihre Mantelfläche verteilt angeordnete Kissen (13a) aufweisen, deren Ausdehnungsrichtung durch Begrenzungsscheiben (14) in Richtung Gerätelängsachse eingeschränkt ist.

Description

• Die Erfindung betrifft eine bewegbare Geräteeinheit zum Erzeugen einer Durchörterung in Böden und Auffüllungen nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
• Zur aufgrabungsfreien Durchörterung von Böden und Auffüllungen kommen in Abhängigkeit von Bodenklasse, Bodenart, Auffüllungsmaterial und erforderlicher Dimensionierung sowie der Länge der Durchörterung unterschiedliche Verfahren zur Anwendung. Diese Verfahren lassen sich im Wesentlichen nach ihrer Steuerungsfähigkeit, nach der Art der Boden- bzw. Aufschüttungsbehandlung, der zum Einsatz kommenden Vortriebstechnik und nach der Art der zur Herstellung der Durchörterung notwendigen Arbeitsschritte unterscheiden. Es sind gesteuerte bzw. ungesteuerte Vortriebsverfahren bekannt, die entweder das Boden- bzw. Aufschüttungsmaterial aus dem Bereich der Durchörterung verdrängen oder herausbefördern. Als Vortriebstechnik kommen beispielsweise ein Fräs-, Bohr- oder ein Spülverfahren zur Anwendung. Je nach Verfahrenstyp sind dazu Pilotbohrungen mit einer anschließenden Aufweitbohrung sowie diverse Einzieh- und Einschubvorgänge für Vortriebsvorrichtungen erforderlich.
• Alle bekannten Verfahren weisen dabei unterschiedliche Nachteile auf, die deren Anwendungsgebiete stark einschränken oder auch das Herstellen einer Durchörterung unter bestimmten Bedingungen unwirtschaftlich gestalten.
• In der Druckschrift DE 10 2006 020 339 A1 wird beispielsweise eine Horizontalbohrtechnik in Form eines Microtunneling offenbart. Mit diesem Verfahren lassen sich Durchörterungsstrecken realisieren, deren Durchörterungslängsachsen allerdings einen Krümmungsradius aufweisen, der für viele Zwecke zu groß bemessen ist. Dies hängt damit zusammen, dass die dort verwendete Art der Vortriebsmittel, insbesondere der Bohrlanzen und Vortriebsrohre, und die damit verbundene Art der Kraftübertragung wegen einer latenten Gefahr von Abknickungen von Bauteilen zum Übertragen von Presskräften keine kleinen Krümmungsradien der Durchörterungslängsachsen zulässt. Daher kann mit dem dort genannten Verfahren ein grabenloses Verlegen von Leitungen oder sonstigen schlauchförmigen Hohlräumen nur auf im Wesentlichen geradlinigen oder nur schwach gekrümmten Verlegestrecken erfolgen.
• Kleinere Krümmungsradien, d. h. stärker gekrümmte Verlegestrecken führen bei einem bestimmten Verhältnis zwischen der Länge einer verwendeten Bohrlanze und einer vorgegebenen Vortriebskraft zu einer beträchtlich erhöhten Ausknickgefahr.
• Außerdem ist die mittels Microtunneling erreichbare Vortriebs- bzw. Durchörterungslänge dadurch begrenzt, dass Reibungskräfte zwischen einer Mantelfläche eines Vortriebsrohres und dem umgebenden Material mit zunehmender Länge wachsen. Bei einer fest vorgegebenen Beaufschlagung der Vortriebsanordnung mit einer konstanten Presskraft wird dadurch ab einer gewissen Maximallänge keinerlei Vortrieb mehr erreicht.
• Aus den Patentschriften DE 19708001 C2 und DE 3425483 C2 sind Inspektionsvorrichtungen bekannt, bei denen mittels relativ zueinander beweglicher Expansionskörper ein raupenartiges Fortbewegen von Geräten in zylinderförmigen Hohlräumen möglich ist. Derartige Mechanismen sind jedoch ausschließlich auf fertig verlegte Rohrleitungssysteme beschränkt, die außerdem nicht einsturzgefährdet sein dürfen. Zudem fehlen für eine derartige Technologie geeignete Vortriebs- oder Bohrköpfe.
• Aus der US 2004/0226747 A1 ist ein selbstdurchdringendes Bodendurchörterungsgerät mit Expansionskörpern und Mitteln für eine Relativbewegung zwischen den Expansionskörpern vorbekannt. Der Durchörterungshohlraum gemäß diesem Stand der Technik wird ausschließlich durch die vorhandenen Expansionskörper selbst stabilisiert, während der Vortrieb durch Bewegungen der Expansionskörper bewirkt und unterstützt wird.
• Die DE 1 104 468 B offenbart ein Gerät zur Herstellung von Erdbohrungen. Bei der dort beschriebenen Vorrichtung ist eine Reihe von Schwellkörpern vorgesehen, über die sich eine Vorschubbewegung im Erdreich erzeugen lässt.
• Die DE 31 27 337 C2 betrifft eine Vorrichtung zum Herstellen eines verrohrten Bohrloches, wobei dort eine sogenannte Spülbohrung realisiert wird. Um Spülfluid heranzuführen, ist ein aus einem flexiblen Material bestehendes doppelwandiges Metallrohr vorhanden, dessen Innenrohr von einem Vorrat abziehbar ist und somit quasi mitwächst. Die Druck- und Spülflüssigkeit wird einerseits herangeführt und andererseits zwischen Bohrungswandung und Außenrohr wieder abgeführt. Bekannt ist darüber hinaus aus der US 5,816,345 B ein horizontaler Bohrvortriebsapparat mit einem Bohrkopf sowie einem nachgezogenen, mitwachsenden Liner, wobei zunächst eine Pilotbohrung zur Führung des eigentlichen Bohrkopfes realisiert werden muss.
• Aus dem Vorgenannten ist es daher Aufgabe der Erfindung, eine weiterentwickelte bewegbare Geräteeinheit zum Erzeugen einer Durchörterung in Böden und Auffüllungen anzugeben, welche Expansionskörper aufweist, die eine bessere und sichere Anpassung an die jeweilige Durchörterungsform gestatten.
• Die Aufgabe wird mit einer bewegbaren Geräteeinheit zum Erzeugen einer Durchörterung in Böden und Auffüllungen mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie mit einem Verfahren zum Betreiben einer derartigen Geräteeinheit nach der Lehre der Ansprüche 16 oder 17 gelöst. Die Unteransprüche beinhalten zweckmäßige bzw. vorteilhafte Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Vorrichtung.
• Die bewegliche Geräteeinheit umfasst eine Expansionseinheit aus mindestens einem ersten und einem zweiten Expansionskörper mit Pressflächen und einem vorzugsweise zwischen den Expansionskörpern angeordneten Expansionskörpergelenk und Mittel für eine Relativbewegung der Expansionskörper mit einer Medienversorgungsleitung. Dabei können die Pressflächen mit der Innenwandung der Durchörterung durch ein alternierendes Aktivieren des jeweiligen Expansionskörpers in Kontakt gebracht werden. Durch ein Heranziehen und Abstoßen des jeweils nicht in einem Press- und Klemmsitz befindlichen Expansionskörpers ist eine Eigenbewegung in Richtung der Durchörterungsstrecke erzeugbar. Dabei befindet sich im vorderen Bereich der Geräteeinheit ein Gerätekopfmodul mit einer möglichen Gerätekopf-Gelenkverbindung zur Expansionseinheit und Mitteln für eine Relativbewegung zwischen dem Gerätekopfmodul und der Expansionseinheit zum Erzeugen von Press- und Druckkräften an der Gerätekopffront.
• Die Mittel für die Relativbewegung sind bei einer ersten Ausführungsform in Form einer pneumatisch oder hydraulisch betriebenen Zylinderkolbenanordnung ausgebildet. Derartige Konstruktionen erlauben das Erzeugen sehr hoher Press- und Druckkräfte und weisen einen geringen Anteil verschleißanfälliger Teile auf.
• Bei einer weiteren Ausführungsform sind die Mittel zum Erzeugen der Relativbewegung als ein Gewindeantrieb ausgebildet. Gewindeantriebe ermöglichen eine mit einer hohen Kraftübersetzung ausführbare, schlupffreie und präzise Schubbewegung, bei der sich der Schubweg genau einstellen lässt und deren Stellung sich selbst arretiert.
• Bei einer weiteren Ausführungsform sind die Mittel zum Erzeugen der Relativbewegung als ein Zahnstangenantrieb mit einer Zahnstange und einem innerhalb mindestens eines der Expansionskörper angeordneten Zahnradantrieb zum Bewegen des Expansionskörpers auf der Zahnstange ausgebildet. Der Zahnstangenantrieb bietet eine schlupffreie Kraftübertragung in Verbindung mit einer präzisen Stellmöglichkeit für den auf der Zahnstange bewegten Expansionskörper.
• Bei einer vorteilhaften Ausführungsform ist mindestens ein Neigungsmesser zum Ermitteln der Gerätelage vorgesehen. Damit können abschüssige bzw. ansteigende Durchörterungsabschnitte rechtzeitig registriert oder deren Neigung mit einem vorgegebenen Sollwert verglichen werden.
• Zweckmäßigerweise ist die Geräteeinheit so ausgeführt, dass ein Festlegen und/oder Korrigieren einer Vortriebsrichtung und/oder einer Lageabweichung durch ein Stellen der Gerätekopf-Gelenkverbindung des Gerätekopfmoduls ausführbar ist. Die Stellung des Gerätekopfmoduls ermöglicht dabei eine sehr präzise Richtungsvorgabe zum weiteren Verlauf der Durchörterung. Die von der Gerätekopf-Gelenkverbindung ausgeführte Schwenkbewegung schafft dabei einen höhlenartigen Raum an der Vortriebsfront, der nachfolgend in der geforderten Richtung erweitert werden kann.
• Weiterhin ist die Geräteeinheit zweckmäßigerweise so ausgebildet, dass ein festlegen und/oder Korrigieren einer Vortriebsrichtung und/oder einer Lageabweichung durch ein Stellen des Expansionskörpergelenks ausführbar ist. Die von der Gerätekopf-Gelenkverbindung beginnend eingeschlagene Vortriebsrichtung wird durch die Stellung des Expansionskörpergelenks weiter ausgeformt, wobei die gelenkige Abwinklung des Expansionskörpergelenks zu einer Minimierung des erreichbaren Krümmungsradius' der Durchörterungsstrecke führt.
• Zweckmäßigerweise ist eine externe Energieversorgungseinheit vorgesehen, wobei die Energieversorgung der Geräteeinheit, insbesondere eines Antriebes der Gerätekopf-Gelenkverbindung und/oder des Expansionskörpergelenks, über die Medienversorgungsleitung erfolgt.
• Von großem Vorteil ist eine autarke signalverarbeitende Steuereinheit in Verbindung mit einer an der Geräteeinheit angeordneten Sensorik, mit der ein selbsttätiges Festlegen einer Vortriebsrichtung und/oder eine Positions- und Lagebestimmung ausführbar ist. Die Geräteeinheit kann dadurch selbsttätig eine vorgegebene Durchörterungsstrecke durchlaufen, Abweichungen zwischen einem Soll- und einem Ist-Zustand hinsichtlich Position und Lage registrieren und entsprechend selbsttätig korrigieren.
• Die Steuereinheit ist zweckmäßigerweise programmierbar. Damit ist es möglich, vorab eine Durchörterungsstrecke jeweils neu einzugeben und zu planen und damit die Geräteeinheit an die jeweils vorliegenden örtlichen Gegebenheiten anzupassen.
• Die Medienversorgungsleitung dient zweckmäßigerweise als zusätzliches Sicherungsmittel, insbesondere als Sicherungsleine. Dadurch ist es möglich, die Geräteeinheit im Falle einer technischen Störung an der Medienversorgungsleitung aus der Durchörterungsstrecke herauszuziehen.
• Bei einer besonders vorteilhaften Ausführungsform weist die Geräteeinheit ein Behältnis zur Aufnahme eines im entstandenen Durchörterungshohlraum entfaltbaren Schlauchgebildes auf. Dieses Schlauchgebilde ist durch ein unter Druck stehendes Fluid beaufschlagbar und realisiert dadurch eine den Durchörterungshohlraum abstützende Wirkung. Eine derartige Ausgestaltung ist besonders bei einsturzgefährdeten Hohlräumen sehr vorteilhaft. Sie ermöglicht es, den geschaffenen Hohlraum zu stabilisieren und ohne Zeitdruck weitere Folgemaßnahmen zum Abstützen der Durchörterung vorzunehmen.
• Zweckmäßigerweise sind in die Geräteeinheit Mittel zum Erfassen und/oder Messen bodenmechanischer und/oder geoelektrischer Parameter integrierbar. In diesem Fall bietet die Geräteeinheit die Möglichkeit, eine Sondenmessung entlang einer vorgebbaren Messstrecke innerhalb des Bodens bzw. der Aufschüttung auszuführen und die entsprechenden Messgrößen ortsabhängig zu erfassen.
• Die Pressflächen weisen bei einer vorteilhaften Ausführungsform einen von der Beschaffenheit eines umgebenden Bodenmaterials abhängigen Anpressdruck auf und bilden ein Widerlager für eine Vorwärtsbewegung eines jeweils im nicht expandierten Zustand befindlichen Expansionskörpers und/oder des Gerätekopfmoduls. Durch diese Ausgestaltung wird die Geräteeinheit in optimaler Weise auf die konkret vorhandene Struktur des Bodens bzw. der Aufschüttung angepasst, wobei ein sicherer Vortrieb gewährleistet ist.
• Zweckmäßigerweise ist die Geräteeinheit druckwasserdicht ausgeführt. Damit ist eine sichere Funktion auch innerhalb von Grundwasser führenden Schichten oder an bzw. in Uferbereichen, Deichen oder Dämmen möglich, die unterhalb einer gegebenen Wasserlinie liegen.
• Bei einer vorteilhaften Ausführungsform ist innerhalb der Expansionseinheit und/oder im Gerätekopfmodul ein Mittel zum Erzeugen von Stößen und/oder Schwingungen angeordnet. Eine solche Erweiterung dient dazu, das umgebende Material aufzulockern bzw. zu verdrängen und den Vortrieb der Geräteeinheit durch einen Einrüttelvorgang zu vereinfachen.
• Das Mittel zum Erzeugen von Stößen und/oder Schwingungen ist bei einer Ausführungsform als eine rotierende Unwucht ausgebildet.
• Bei einem Verfahren zum Betreiben der Geräteeinheit mit den genannten Merkmalen erfolgt die zwischen den Expansionskörpern und/oder dem Gerätekopfmodul ausgeführte Relativbewegung in Form einer stoßartigen Vorwärtsbewegung. Dadurch wird das vor der Geräteeinheit befindliche Material durch den eingebrachten Impuls ruckartig zur Seite geschoben und verdrängt.
• Bei einem weiteren Verfahren zum Betreiben der Geräteeinheit ist die zwischen den Expansionskörpern und/oder dem Gerätekopfmodul ausgeführte Relativbewegung durch eine oszillatorische Rüttelbewegung überlagert. Bei dieser Vorgehensweise erfolgt ein Einrütteln der Geräteeinheit. Das vor der dem Gerätekopfmodul befindliche Material wird durch die Rüttelbewegung aufgelockert, das Gerätekopfmodul und damit die Geräteeinheit dringt in das aufgelockerte Material vor und schiebt es schließlich seitlich vorbei, wobei den Materialteilchen durch die Rüttelbewegung ein seitlicher Impuls erteilt wird, der dessen Verdrängung erleichtert.
• Die oszillatorische Rüttelbewegung und/oder die stoßartige Vorwärtsbewegung wird bei einer Ausführungsform des Verfahrens durch eine in der Expansionseinheit und/oder im Gerätekopfmodul mit einer Unwucht ausgeführten Drehbewegung erzeugt.
• Die Geräteeinheit soll nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert werden. Zur Verdeutlichung dienen die angefügten 1 bis 10. Es werden für gleiche oder gleichwirkende Teile dieselben Bezugszeichen verwendet.
• Es zeigt:
• 1 einen prinzipiellen Aufbau einer beispielhaften Geräteeinheit,
• 2 eine Geräteeinheit in einer Ausführungsform mit einem Expansionskörpergelenk in Form einer hydraulischen Zylinderkolbenanordnung,
• 3 eine Geräteeinheit in einer Ausführungsform mit einem Expansionskörpergelenk in Form eines Gewindeantriebes,
• 4 eine Geräteeinheit in einer Ausführungsform mit einem Behältnis zur Aufnahme eines Schlauchgebildes,
• 5a einen ersten von der Geräteeinheit ausgeführten Vortriebsschritt,
• 5b einen zweiten von der Geräteeinheit ausgeführten Vortriebsschritt,
• 5c einen dritten von der Geräteeinheit ausgeführten Vortriebsschritt,
• 5d einen vierten von der Geräteeinheit ausgeführten Vortriebsschritt,
• 5e einen fünften von der Geräteeinheit ausgeführten Vortriebsschritt,
• 6a eine Geräteeinheit mit einem Zahnstangenvortrieb in einem ersten Vortriebsschritt,
• 6b eine Geräteeinheit mit einem Zahnstangenvortrieb in einem zweiten Vortriebsschritt,
• 6c eine Geräteeinheit mit einem Zahnstangenvortrieb in einem dritten Vortriebsschritt,
• 6d eine Geräteeinheit mit einem Zahnstangenvortrieb in einem vierten Vortriebsschritt,
• 6e eine Geräteeinheit mit einem Zahnstangenvortrieb in einem fünften Vortriebsschritt,
• 7 eine beispielhafte Geräteeinheit in einer ersten Ausführungsform in einer perspektivischen Darstellung,
• 8 eine beispielhafte Geräteeinheit in einer weiteren Ausführungsform in einer perspektivischen Darstellung,
• 9 einen Expansionskörper im Querschnitt,
• 10 einen Längsschnitt durch ein beispielhaftes Gerätekopfmodul.
• 1 zeigt eine beispielhafte Geräteeinheit im prinzipiellen Aufbau. Die Geräteeinheit weist eine Medienversorgungsleitung 1 auf, über die alle Komponenten mit Antriebsenergie bzw. je nach Aufbau mit einem unter Druck stehenden Mediums versorgt werden. Die Medienversorgungsleitung ist dabei in der Regel als ein Bündel ausgebildet, das elektrisch leitende Kabel und Schlauchzuleitungen enthält, die von einer außerhalb der Durchörterung gelegenen und hier nicht dargestellten Energieversorgungseinheit zu der Geräteeinheit geführt sind. Die Medienversorgungsleitung dient gleichzeitig als Sicherungsmittel. Zu diesem Zweck sind in das Bündel Mittel zum Übertragen von Zugkräften eingefügt, mit denen des möglich ist, die Geräteeinheit aus dem Hohlraum der Durchörterung heraus zu ziehen. In der Regel dient dazu ein in das Bündel eingefügtes Seil, insbesondere ein Stahlseil, eine Trosse oder eine Kette.
• Die Geräteeinheit weist in dem in 1 gezeigten Beispiel eine Expansionseinheit 2 aus einem ersten Expansionskörper 2a und einem zweiten Expansionskörper 2b auf. Weitere Expansionskörper können je nach Erfordernis vorgesehen sein. Zwischen den Expansionskörpern befindet sich ein Expansionskörpergelenk 3. Das Expansionskörpergelenk mit zugehörigen Zylinderkolben ermöglicht eine Relativbewegung der Expansionskörper 2a und 2b zueinander und damit eine effektive Verkürzung und Verlängerung der Expansionskörpereinheit insgesamt. Zugleich gewährleistet das Expensionskörpergelenk 3 ein Schwenken bzw. Abknicken der Expansionskörper zueinander und ermöglicht damit eine von der Geräteeinheit realisierbare Durchörterungsstrecke mit einem endlichen Krümmungsradius.
• Die Expansionskörper weisen je eine Pressfläche 4 und einen veränderbaren Querschnitt auf, wobei die Pressflächen je nachdem, welche Größe der jeweilige Expansionskörper in Abhängigkeit von der Vortriebsphase aufweist, an eine Innenwandung 5 der Durchörterung 6 angepresst bzw. von dieser gelöst sind. Bei dem Beispiel aus 1 weist beispielsweise der Expansionskörper 2a einen verringerten Querschnitt mit einer von der Innenwandung der Durchörterung gelösten Pressfläche auf, während der Querschnitt des Expansionskörpers 2b so vergrößert ist, dass dessen Pressfläche an der Innenwandung der Durchörterung anliegt. Der Expansionskörper 2a befindet sich dabei in einer momentan freien Stellung, während der Expansionskörper 2b eine Press- und Klemmstellung einnimmt.
• Die Vorderseite der Geräteeinheit wird von einem Gerätekopfmodul 7 mit einer Gerätekopffront 8 gebildet. Die Gerätekopffront weist eine in Vortriebsrichtung, d. h. in Richtung der Ortsbrust, zugespitzte Form auf, die ein Auflockern des umgebenden Materials erleichtert. Der Übergang zwischen der Expansionskörpereinheit und der Ortsbrust wird durch eine Gerätekopf-Gelenkverbindung 8a gebildet. Diese ermöglicht ebenso wie das Expansionskörpergelenk 3 eine Relativbewegung zwischen dem Gerätekopfmodul und der Expansionskörpereinheit. Das Gerätekopfmodul ist über die Gerätekopf-Gelenkverbindung gegenüber der Expansionskörpereinheit schwenkbar. Außerdem ermöglicht die Gerätekopf-Gelenkverbindung einen flexible Verbindung zwischen dem Gerätekopfmodul und der Expansionskörpereinheit.
• Das Expansionskörpergelenk kann auf verschiedene Weise ausgebildet sein. 2 zeigt eine Ausführungsform der Geräteeinheit, bei der das Expansionskörpergelenk als eine hydraulische Zylinderkolbenanordnung 9 ausgeführt ist. Die Zylinderkolbenanordnung wird dabei teleskopartig auseinandergeschoben bzw. verkürzt, wobei sich der Abstand zwischen den Expansionskörpern 2a und 2b entsprechend verändert. Bei diesem Ausführungsbeispiel befindet sich entweder in der externen, außerhalb der Durchörterung angeordneten Energieversorgungseinheit ein Kompressor mit einer Ventilanordnung, bei der die Zylinderkolbenanordnung 9 mit einem durch ein hydraulisches oder pneumatisches Medium übertragenen Druck beaufschlagt wird, die über entsprechende Zuführungen die Zylinderkolbenanordnung streckt bzw. zusammenzieht. Es ist zweckmäßig, über die Medienversorgungsleitung eine möglichst geringe Anzahl von Druckleitungen an die Zylinderkolbenanordnung zu führen und eine möglichst große Zahl hydraulischer bzw. pneumatischer Stellelemente außerhalb der Geräteeinheit in der externen Energieversorgungseinheit anzuordnen, um die innerhalb der Durchörterung aktive Geräteeinheit gerätetechnisch möglichst einfach zu gestalten.
• 3 zeigt ein Expansionskörpergelenk in Form eines Gewindeantriebes 10. Der Gewindeantrieb umfasst eine Anordnung aus bei diesem Beispiel zwei Gewindespindeln 10a und 10b, die über einen Gelenkpunkt 10c miteinander verbunden sind. Die Gewindespindeln laufen durch die Expansionskörper 2a und 2b hindurch und sind mit diesen über je ein in den Expansionskörpern vorgesehenen Innengewinde verbunden. Sie werden von einem Motor in eine Drehbewegung mit einem positiven bzw. negativen Drehsinn versetzt, wobei sich der Abstand zwischen den Expansionskörpern vergrößert bzw. verringert. Der Gewindeantrieb ermöglicht eine sehr große Kraftübertragung in Richtung der Ortsbrust in Verbindung mit einer präzisen Einstellung des Vorschubs und einer selbstarretierenden Stellung.
• 4 zeigt eine beispielhafte Ausführungsform der Geräteeinheit mit einem Behältnis 12 und einem darin untergebrachten Schlauchgebilde 13. Das Behältnis 12 befindet sich bei dieser Ausführungsform im rückwärtigen Teil der Expansionskörpereinheit, z. B. am Expansionkörper 2a. Das Schlauchgebilde ist zu Beginn vollständig im Behältnis 12 in einem zusammengefalteten Zustand verborgen. Während des durch die Geräteeinheit bewirkten Vortriebs entfaltet sich das Schlauchgebilde, wobei dessen Wandung auf der Innenwand 5 der Durchörterung 6 anliegt. Der Innenraum des Schlauchgebildes wird über eine vorzugsweise mit der Medienversorgungsleitung 1 mitgeführten Zuführungsleitung mit einem druckaufbauenden Medium, beispielsweise Wasser oder Druckluft befüllt, wobei die Wandung des Schlauchgebildes gegen die Innenwand der Durchörterung gepresst wird und damit den geschaffenen Hohlraum gegen ein Einstürzen absichert.
• Bei einer zweckmäßigen Ausführungsform ist die Wandung des Schlauchgebildes als eine Doppelwand ausgebildet. In diesem Fall kann in den Raum der Doppelwand ein flüssiges und nach einer gewissen Zeit aushärtendes Medium eingepresst werden, wobei sich das Schlauchgebilde zu einer innerhalb der Durchörterung verbleibenden Röhre verfestigt.
• Der in dem Schlauchgebilde aufgebaute Druck unterstützt außerdem zusätzlich den Vortrieb der Geräteeinheit und erzeugt ein die Geräteeinheit abstützendes Widerlager.
• Die 5a bis 5e zeigen das der Geräteeinheit zugrundeliegende Prinzip der Vorschubbewegung zum Erzeugen der Durchörterung. Bei der in den 5a bis 5e gezeigten Vorschubbewegung wird die Durchörterung allein durch die Bewegung der Expansionskörper 2a und 2b erzeugt. Das Expansionskörpergelenk 3 kann in einer der vorhergehend gezeigten Ausführungsformen ausgebildet sein.
• Bei dem in 5a gezeigten Zustand befindet sich der Expansionskörper 2a in der freien Stellung ohne einen Kontakt zwischen dessen Pressflächen und der Innenwand der Durchörterung, während der Expansionskörper 2b eine Press- und Klemmstellung einnimmt, wobei dessen Pressflächen gegen die Innenwand der Durchörterung gepresst sind. Das Expansionskörpergelenk 3 ist auf eine kürzestmögliche Länge zusammengezogen, wobei der Abstand zwischen den Expansionskörpern 2a und 2b minimal ist.
• Wie in 5b gezeigt, wird anschließend der Expansionskörper 2a von der freien Stellung in die Press- und Klemmstellung gebracht. Dies geschieht durch ein Erweitern des Querschnittes, wobei dessen Pressflächen gegen die Innenwandung der Durchörterung gedrückt werden. Gleichzeitig verringert sich der Querschnitt des Expansionskörpers 2b. Dieser gelangt nun in die freie Stellung, wobei dessen Pressflächen keinen Kontakt mit der Innenwand der Durchörterung mehr aufweisen.
• Anschließend wird wie in 5c gezeigt die Länge des Expansionskörpergelenks 3 vergrößert. Der in der Press- und Klemmstellung befindliche Expansionskörper 2a wirkt nun als ein Widerlager für die durch das Expansionskörpergelenk ausgeübte Druckkraft auf die vor dem Gerätekopfmodul liegende Ortsbrust der Durchörterung. Unter dem Einfluss dieser Druckkraft weicht das unmittelbar vor der Geräteeinheit liegende Material zur Seite, wobei das Gerätekopfmodul nach vorn getrieben und die bisherige Durchörterung um ein weiteres Stück verlängert wird.
• Wie in 5d gezeigt, wird im Anschluss daran der Expansionskörper 2a wieder in die freie Stellung gebracht, während der Expansionskörper 2b die Press- und Klemmstellung einnimmt. Sodann wird, wie 5e zeigt, der nun freie Expansionskörper 2a durch ein Verkürzen des Expansionskörpergelenks 3 in die Durchörterung nachgezogen. Der in 5e erreichte Endzustand wird am Anschluss daran wieder in den in 5a gezeigten Zustand überführt, wobei der beschriebene Arbeitszyklus wiederholt wird.
• Bei dem in den 5a bis 5e beschriebenen Arbeitsablauf bleibt der Abstand zwischen dem Gerätekopfmodul 7 und dem Expansionskörper 2b unverändert. Für eine Richtungsänderung kann das Gerätekopfmodul allerdings um die bereits erwähnte Gerätekopf-Gelenkverbindung 8a geschwenkt werden. Ebenso ist ein Abschwenken des Expansionsgelenks 3 möglich. Für das Durchlaufen einer Kurve mit einem endlichen Krümmungsradius werden sowohl das Expansionskörpergelenk 3 als auch die Gerätekopf-Gelenkverbindung 8a in die jeweils angestrebte Richtung geschwenkt. Dabei wird der jeweils in der Press- und Klemmstellung befindliche Expansionskörper ein wenig freigegeben, wobei ein Spiel zwischen dessen Pressfläche und der Innenwand der Durchörterung entsteht. Unter dem Einfluß der Schwenkbewegung des Expansionskörpergelenks 3 und der Gerätekopf-Gelenkverbindung 8a wird das zu durchörternde Material an der entsprechenden Flanke des Gerätekopfmoduls 7 beiseite geschoben, wobei die gewünschte seitliche Abweichung der neuen Vortriebsrichtung von der ursprünglichen Vortriebsrichtung realisiert wird.
• Die Gerätekopf-Gelenkverbindung 8a kann ebenso als Mittel zum Vortrieb der Durchörterung genutzt werden. Besonders vorteilhaft ist dabei eine Kombination mit einem Expansionskörpergelenk 3 in Form eines Zahnstangenantriebs. Dabei ist eine durchgehende, von einem zwischen den Expansionskörpern gelegenen Gelenk unterteilte Zahnstange 3a von dem Gerätekopfmodul 7 bis zu dem Expansionskörper 2a am hinteren Ende der Geräteeinheit angeordnet. Auf dieser Zahnstange ist der Expansionskörper 2b gelagert. Dieser vollführt unter der Wirkung eines inwendig angelegten Zahnradantriebs auf der Zahnstange eine Bewegung, die in Abhängigkeit vom Arbeitsschritt sowohl in Richtung des Vortriebs, als auch entgegen der Vortriebsrichtung erfolgen kann.
• Die dabei ablaufenden Arbeitsschritte sind in den 6a bis 6e beispielhaft dargestellt.
• 6a zeigt den Zustand der Geräteeinheit bei dem ersten Arbeitsschritt. Dieser entspricht dem bereits in 5a dargestellten Arbeitsschritt. Der Expansionskörper 2a befindet sich in der freien Stellung, während der Expansionskörper 2b die Press- und Klemmstellung einnimmt.
• Bei dem in 6b gezeigten Arbeitsschritt verbleibt der Expansionskörper 2b in der Press- und Klemmstellung. Die Zahnstange 3a des Expansionskörpergelenks 3 wird nun durch die antreibende Wirkung des im Expansionskörper 2b befindlichen Zahnradantriebs durch den in Press- und Klemmstellung befindlichen Expansionskörper 2b hindurch in die Vortriebsrichtung geschoben. Dabei wird in Richtung des Vortriebs und des Gerätekopfmoduls eine Druckkraft auf die vor dem Gerätekopfmodul liegende Ortsbrust der Durchörterung aufgebaut. Das Gerätekopfmodul wird unter dem Zurückweichen des im Vortriebsbereich gelegenen Materials vorgetrieben, wobei gleichzeitig der freie Expansionskörper 2a nachgezogen und an den Expansionskörper 2b heranbewegt wird.
• In dem in 6c gezeigten nachfolgenden Arbeitsschritt wird nun der am Ende der Geräteeinheit gelegene Expansionskörper 2a von der freien in die Press- und Klemmstellung gebracht. Der Expansionskörper 2b geht gleichzeitig von der Press- und Klemmstellung in die freie Stellung über, sodass dieser keinen Kontakt mehr mit der Innenwand der Durchörterung aufweist.
• Wie 6d zeigt, wird der nun freie Expansionskörper 2b durch dessen inwendigen Zahnradantrieb auf der Zahnstange 3a des Expansionskörpergelenks 3 in Richtung des Gerätekopfmoduls 7 nach vorn bewegt.
• In dem letzten, in 6e gezeigten Arbeitsschritt wird nun der hintere Expansionskörper 2a in die freie Stellung gebracht, während der Expansionskörper 2b die Press- und Klemmstellung einnimmt. Diese Endstellung entspricht dem in 6a gezeigten Zustand, wobei allerdings die Geräteeinheit als ganzes um eine gewisse Wegstrecke verschoben und die Durchörterung um einen neuen Längenabschnitt erweitert worden ist.
• 7 zeigt in einer perspektivischen Ansicht eine beispielhafte Ausführungsform der Geräteeinheit. Bei diesem Ausführungsbeispiel weist das Gerätekopfmodul auf seinem in Vortriebsrichtung weisenden Ende ein Oberflächenprofil in Form von Rillen 12a auf. Diese Rillen bilden Kanäle, die das Eindringen der Spitze des Gerätekopfmoduls in das zu durchörternde Material erleichtern und das Verdrängen des Material aus dem Vortriebskanal verbessern.
• Die Pressflächen 4 der Expansionskörper 2a und 2b sind erfindungsgemäß in Form mehrerer, um die Mantelflächen der Expansionskörper herum verteilter Kissen 13a ausgebildet. Deren Ausdehnungsrichtung ist durch Begrenzungsscheiben 14 in Richtung der Gerätelängsache eingeschränkt und damit in Richtung der Innenwand der Durchörterung gelenkt. Die Kissen bestehen aus einem robusten, gegenüber Reibung hinreichend widerstandsfähigen Material. Hierfür kommen insbesondere Verbundmaterialien zum Einsatz, beispielsweise reifenähnliche Gemische aus einem Textil mit auflaminiertem Gummi oder gummiähnlichem Kunststoff, die mit einem hinreichend großen Innendruck beaufschlagt werden können.
• Die Oberflächen der Pressflächen 4 und insbesondere der Kissen 13a können mit Ausformungen versehen sein, die einen besseren Halt und eine verbesserte Griffigkeit an der Innenwandung der Durchörterung bewirken. 8 zeigt ein diesbezügliches Beispiel. Bei dieser Ausführungsform weisen die Pressflächen eine Anordnung von Dornen 15 auf, die so geformt sind, dass diese sich während der Vorschubphasen der Geräteeinheit in das umgebende Material einstemmen und dort ein Widerlager ausbilden. An Stelle der hier gezeigten Dornen können natürlich auch andere Mittel und Oberflächengestaltungen zur Verbesserung der Haftreibung angewendet werden. In Betracht kommen dabei reifenartige Profile.
• 9 zeigt einen beispielhaften Querschnitt durch einen der Expansionskörper. Der Expansionskörper weist einen festen, mit einer Reihe von Befestigungspunkten 16 versehenen Mantelkörper 17 auf. Dieser ist mit einer Mantelmembran 18 vollständig überdeckt, wobei die Mantelmembran an den Befestigungspunkten fest mit dem Mantelkörper verbunden ist. Im Inneren des Mantelkörpers 17 verlaufen eine Reihe von Fluidkanälen 19, die jeweils über Fluidöffnungen 20 mit jeweils einem durch die Mantelmembran 18 und dem Mantelkörper 17 eingeschlossenen Pumpvolumen 21 so verbunden sind, dass ein Fluid über die Fluidkanäle 19 in das Pumpvolumen 21 eingeleitet und dort mit Druck beaufschlagt wird, sodass die Mantelmembran aufgebläht werden kann.
• Als druckübertragendes Medium bietet sich entweder Luft oder ein vergleichbares, vorzugsweise inertes oder ein zumindest schwer brennbares bzw. nicht brandförderndes, Gas oder eine Flüssigkeit, beispielsweise Wasser an. Gasförmige Fluide bieten den Vorteil, dass sich die Beschädigung der Durchörterung bei einem auftretenden Leck innerhalb der Mantelmembran in engen Grenzen halten lässt, während bei Verwendung eines flüssigen Fluids die Gefahr der Durchflutung der Durchörterung und des Ausschwemmens oder Aufweichens des umgebenden Materials besteht. Flüssige Fluide sind allerdings inkompressibel und lassen daher einen viel leichter zu realisierenden Druckaufbau innerhalb der Pumpvolumina zu, ohne dass ein größerer Stofftransport von der externen Energieversorgungseinheit notwendig ist. Dies ist besonders bei längeren Durchörterungsstrecken von großem Vorteil.
• 10 zeigt einen Schnitt durch ein beispielhaftes Gerätekopfmodul 7. Das Gerätekopfmodul weist eine robuste, vorzugsweise aus einem metallischen Werkstoff gefertigte, hinreichend harte Gerätekopfkapsel 22 auf. Das hier gezeigte Gerätekopfmodul enthält innerhalb der Gerätekopfkapsel Mittel zum Erzeugen rüttelnder Schwenkbewegungen seitwärts zur Vortriebsrichtung und stoßender Bewegungen in Richtung des Vortriebs. Hierzu sind Vorrichtungen zum Erzeugen rotierender Unwuchten vorgesehen.
• Die Vorrichtung zum Erzeugen rüttelnder Schwenkbewegungen wird beispielhaft durch einen Antrieb 23 mit einer auf einer Welle sitzenden Excenterscheibe 24 gebildet. Die bei der Rotation auftretende Unwucht führt dann zu einer seitwärts schüttelnden Bewegung des Gerätekopfes. Die dabei erreichbare Frequenz der Schüttelbewegung kann über die Drehzahl des Antriebs 23 eingestellt werden.
• Stoßende Bewegungen werden bei dem hier vorliegenden Beispiel mit einem zweiten Antrieb 25 und beidseitig angeordneten Excenterscheiben 26 erzeugt.
• Auch hier lässt sich die Frequenz der Stoßbewegungen über die Drehzahl des Antriebs 26 regulieren. Beide genannten Vorrichtungen zum Erzeugen der Rüttel- und Stoßbewegungen sind über hinreichend feste Fassungen 27 mit der Gerätekopfkapsel 22 verbunden.
• Bezugszeichenliste

1

Medienversorgungsleitung

2

Expansionseinheit

2a

erster Expansionskörper

2b

zweiter Expansionskörper

3

Expansionskörpergelenk

3a

Zahnstange

4

Pressfläche

5

Innenwandung der Durchörterung

6

Durchörterung

7

Gerätekopfmodul

8

Ortsbrust

8a

Gerätekopf-Gelenkverbindung

9

Zylinderkolbenanordnung

10

Gewindeantrieb

10a

erste Gewindespindel

10b

zweite Gewindespindel

10c

Gelenkpunkt

12

Behältnis

12a

Rillen

13

Schlauchgebilde

13a

Kissen

14

Begrenzungsscheibe

15

Dorn

16

Befestigungspunkt

17

Mantelkörper

18

Mantelmembran

19

Fluidkanal

20

Fluidöffnung

21

Pumpvolumen

22

Gerätekopfkapsel

23

erster Antrieb

24

erste Exzenterscheibe

25

zweiter Antrieb

26

zweite Exzenterscheiben

27

Halteelement

Claims (17)

1. Bewegbare Geräteeinheit zum Erzeugen einer Durchörterung in Böden und Auffüllungen durch Verdrängen, umfassend eine Expansionseinheit (2) aus mindestens einem ersten und einem zweiten Expansionskörper (2a, 2b) mit Pressflächen (4) und einem zwischen den Expansionskörpern angeordneten Expansionskörpergelenk (3) und Mitteln für eine Relativbewegung der Expansionskörper mit einer Medienversorgungsleitung (1), wobei die Pressflächen (4) mit einer Innenwandung (5) der Durchörterung (6) durch ein alternierendes Aktivieren des jeweiligen Expansionskörpers (2a; 2b) in einen Kontakt bringbar sind und durch ein Heranziehen und Abstoßen des jeweils nicht in einem Press- oder Klemmsitz befindlichen Expansionskörpers eine Eigenbewegung in Richtung einer Durchörterungsstrecke erzeugbar ist, wobei im vorderen Bereich der Geräteeinheit ein Gerätekopfmodul (7) mit einer Gerätekopf-Gelenkverbindung (8a) zur Expansionseinheit (2) und Mitteln für eine Relativbewegung zwischen dem Gerätekopfmodul (7) und der Expansionseinheit (2) zum Erzeugen von Press- und Druckkräften an einer Gerätekopffront angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Expansionskörper (2a, 2b) Pressflächen (4) in Form mehrerer, um ihre Mantelfläche verteilt angeordnete Kissen (13a) aufweisen, deren Ausdehnungsrichtung durch Begrenzungsscheiben (14) in Richtung Gerätelängsachse eingeschränkt ist.
2. Geräteeinheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel für die Relativbewegung in Form einer pneumatisch oder hydraulisch betriebenen Zylinderkolbenanordnung (9) ausgebildet sind.
3. Geräteeinheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zum Erzeugen der Relativbewegung als ein Gewindeantrieb (10) ausgebildet sind.
4. Geräteeinheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zum Erzeugen der Relativbewegung als ein Zahnstangenantrieb mit einer Zahnstange (3a) und einem innerhalb mindestens eines der Expansionskörper (2a, 2b) angeordneten Zahnradantrieb zum Verfahren des Expansionskörpers auf der Zahnstange ausgebildet sind.
5. Geräteeinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass im rückwärtigen Teil der Expansionseinheit (2) ein Behältnis (12) zur Aufnahme eines im entstandenen Durchörterungshohlraum entfaltbaren Schlauchgebildes (13) befindlich ist, wobei das Schlauchgebilde (13) mittels eines unter Druck stehenden Mediums beaufschlagbar ist und dabei gegen die Innenwandung (5) der Durchörterung gepresst wird und den geschaffenen Hohlraum absichert, wobei der im Schlauchgebilde (13) aufgebaute Druck den Vortrieb der Geräteeinheit unterstützt und ein Widerlager erzeugt.
6. Geräteeinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass ein Festlegen und/oder Korrigieren einer Vortriebsrichtung und/oder einer Lageabweichung durch ein Stellen der Gerätekopf-Gelenkverbindung (8a) des Gerätekopfmoduls (7) ausführbar ist.
7. Geräteeinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass ein Festlegen und/oder Korrigieren einer Vortriebsrichtung und/oder einer Lageabweichung durch ein Stellen des Expansionskörpergelenks (3) ausführbar ist.
8. Geräteeinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass eine externe Energieversorgungseinheit vorgesehen ist, wobei eine Energieversorgung der Geräteeinheit über die Medienversorgungsleitung (1) erfolgt.
9. Geräteeinheit nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Energieversorgung eines Antriebes der Gerätekopf-Gelenkverbindung (8a) und/oder des Expansionskörpergelenks (3) über die Medienversorgungsleitung (1) erfolgt.
10. Geräteeinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 8, gekennzeichnet durch eine autarke signalverarbeitende Steuereinheit in Verbindung mit einer an der Geräteeinheit angeordneten Sensorik zum selbsttätigen Festlegen einer Vortriebsrichtung und/oder Positions- und Lagebestimmung.
11. Geräteeinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Medienversorgungsleitung (1) als Sicherungsmittel verwendbar ist.
12. Geräteeinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass in die Geräteeinheit Mittel zum Erfassen und/oder Messen bodenmechanischer und/oder geoelektrischer Parameter integrierbar sind.
13. Geräteeinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Pressflächen (4) der Expansionskörper (2) einen von der Beschaffenheit eines umgebenden Bodenmaterials abhängigen Anpressdruck aufweisen und ein Widerlager für eine Vorwärtsbewegung eines jeweils im nicht expandierten Zustand befindlichen Expansionskörpers und/oder des Gerätekopfmoduls (7) bilden.
14. Geräteeinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 13, gekennzeichnet durch ein in der Expansionseinheit (2) und/oder im Gerätekopfmodul (7) angeordnetes Mittel zum Erzeugen von Stößen und/oder Schwingungen.
15. Geräteeinheit nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass das Mittel zum Erzeugen von Stößen und/oder Schwingungen als eine rotierende Unwucht (24, 26) ausgebildet ist.
16. Verfahren zum Betreiben einer Geräteeinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die zwischen den Expansionskörpern (2a, 2b) oder die zwischen einem der Expansionskörper und dem Gerätekopfmodul (7) ausgeführte Relativbewegung in Form einer stoßartigen Vorwärtsbewegung erfolgt.
17. Verfahren zum Betreiben einer Geräteeinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die zwischen den Expansionskörpern (2a, 2b) oder die zwischen einem der Expansionskörper und dem Gerätekopfmodul (7) ausgeführte Relativbewegung durch eine oszillatorische Rüttelbewegung überlagert ist.

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